Toward a unified framework for helium observations and interpretation of atmospheric escape
Observatoire Astronomique de l’Université de Genève(日内瓦大学天文台)
该研究构建大气逃逸观测的统一框架,对比NIRPS、JWST/NIRSpec等仪器能力,明确高、低分辨率观测的互补性,为系外行星大气逃逸研究提供方法支撑。
2026-08-12 astro-ph.EP
Atmospheric escape from exoplanets: recent observations and theoretical models
该综述系统总结了系外行星大气逃逸的观测证据与理论模型,指出恒星辐射及多种恒星环境因素与行星属性共同调控逃逸过程,并揭示其对行星大气演化和系外行星种群特征的重要影响。
2025-02-25 astro-ph.EP physics.plasm-ph
The First Dedicated Survey of Atmospheric Escape from Planets Orbiting F Stars
California Institute of Technology(加州理工学院);Carnegie Science Observatories(卡内基科学天文台);University of California, Santa Cruz(加州大学圣克鲁斯分校);Earth and Planets Laboratory, Carnegie Institution for Science(卡内基科学研究所地球与行星实验室);University of California, Los Angeles(加州大学洛杉矶分校);Yale University(耶鲁大学);Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian(哈佛-史密森尼天体物理中心);Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC)(加泰罗尼亚空间研究所)
首次针对F型星轨道运行的气态巨行星进行大气逃逸调查,利用1D Parker风模型分析质量损失率,发现其逃逸流强度受罗奇填充因子和XUV辐射亮度影响。
2026-03-06 astro-ph.EP
Thermoelastic Contraction as a Suppressor of Atmospheric Escape in Close-in Exoplanets
Department of Physics, Faculty of Science, Istanbul University(伊斯坦布尔大学理学院物理系)
本研究提出热弹性收缩机制,通过行星内部响应抑制近邻系外行星的大气逃逸,揭示弹性在大气演化中的关键作用。
2025-08-03 astro-ph.EP
Rapid escape of ultra-hot exoplanet atmospheres driven by Hydrogen Balmer absorption
大气逃逸是解释我们太阳系及其他行星长期演化的关键,也是解释大气测量结果的关键。流体动力学逃逸通常被认为是由行星从其宿主恒星接收的极紫外光子通量驱动的。在这里,我们表明,逃离行星绕热恒星的收益通过一个不同的,但互补的过程:从强烈的近紫外线辐射的恒星,是在光学薄,高海拔大气层的氢激发到较低的状态的巴耳末系沉积其能量。超热的系外行星KELT-9 b可能代表了这种Balmer驱动的逃逸的第一个已知实例。在这种流体动力逃逸的情况下,恒星的近紫外辐射在确定行星质量损失方面比极紫外辐射更重要,而极紫外辐射的不确定性变得不那么重要。此外,我们预测,热恒星周围的气体系外行星可能会经历灾难性的质量损失,当它们的质量小于1- 2木星质量,并且比KELT-9 b更接近时,从而挑战所有大型系外行星对大气逃逸稳定的范式。我们认为,极端逃逸将影响近距离绕热恒星运行的系外行星的人口统计。
2019-10-01 astro-ph.EP
Less effective hydrodynamic escape of H$_2$-H$_2$O atmospheres on terrestrial planets orbiting pre-main sequence M dwarfs
目前在M矮星周围的宜居带的类地行星可能经历了长期失控的温室条件,因为在其主序前阶段,宿主恒星的光度缓慢下降。因此,它们可能已经失去了大部分的大气层,包括高浓度的水蒸气,这是由于强烈的恒星XUV辐射引起的流体动力学逃逸造成的。然而,大气逃逸率仍然高度不确定,部分原因是缺乏对逃逸外流中辐射冷却效应的了解。在这里,我们进行1-D流体动力学逃逸模拟H $_{2}$ -H $_{2}$ O大气质量为$1M_{\oplus}$的行星上考虑辐射和化学过程,以估计大气逃逸率,并遵循大气演变在早期失控温室阶段。我们发现,由于H $_{2}$ O和化学产物OH、H $_{3}^{+}$的辐射冷却所造成的能量损失,大气逃逸率随H $_{2}$ O/H $_{2}$比值的增大而减小:当H $_{2}$ O/H $_{2}=0.1$为基础值时,H $_{2}$的逃逸率比纯氢大气的逃逸率小一个数量级. H $_{2}$逃逸的时间尺度超过了早期失控温室阶段的持续时间,这取决于初始大气量和成分,表明H $_{2}$和H $_{2}$ O可以在失控温室阶段结束后留下。我们的研究结果表明,在M矮星周围的一些类地行星上可能形成温和的、有海洋的还原环境。
2022-07-14 astro-ph.EP
Modeling Atmospheric Ion Escape from Kepler-1649 b and c over Time
National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences(中国科学院国家空间科学中心);University of Exeter(埃克塞特大学);University of Chinese Academy of Sciences(中国科学院大学);Boston University(波士顿大学);Beijing Normal University(北京师范大学);Hebei Normal University(河北师范大学);University of Oxford(牛津大学);New York University Abu Dhabi(纽约大学阿布扎比分校);New York University(纽约大学);Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences(中国科学院地质与地球物理研究所);Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences(中国科学院高能物理研究所)
研究通过磁流体动力学模型展示了开普勒-1649 b和c在十亿年时间尺度上的大气离子逃逸情况,揭示了大气保留的长期潜力。
2025-11-30 astro-ph.EP
The Cosmic Shoreline Revisited: A Metric for Atmospheric Retention Informed by Hydrodynamic Escape
本文利用流体动力学逃逸模型重新审视宇宙海岸线,提出新度量并发现初始挥发物储量及恒星演化不确定性使海岸线模糊,高质量行星更易保持大气。
2025-10-15 astro-ph.EP
Atmospheric escape fractionates secondary but not primary atmospheres
Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen(格罗宁根大学卡普坦天文研究所)
该研究解决了大气分馏逃逸问题,发现星风仅分馏贫氢次生大气,为太阳系及系外行星大气演化提供统一解释,还可用于JWST观测的岩质系外行星气体保留排序。
2026-09-01 astro-ph.EP
Analytical modeling of helium absorption signals of isothermal atmospheric escape
University of Duisburg-Essen(杜伊斯堡-埃森大学);The University of Tokyo(东京大学)
研究通过建立等温大气中氦吸收等效宽度的解析公式,探讨金属冷却对热化学结构及氦吸收特征的影响,为解释系外行星大气观测数据提供新视角。
2026-02-19 astro-ph.EP
XUV exposed non-hydrostatic hydrogen-rich upper atmospheres of terrestrial planets. Part I: Atmospheric expansion and thermal escape
最近发现的低密度“超级地球”开普勒-11b、开普勒-11f、开普勒-11d、开普勒-11e,以及像GJ 1214 b这样的行星,代表了最有可能被致密的氢/氦包层所包围的行星,或者含有同样被致密的氢包层所包围的深层H2O海洋。虽然这些“超级地球”的轨道相对靠近其宿主恒星,但它们并没有失去捕获的星云富氢或脱气的富挥发性蒸汽原大气层。因此,估算一颗在主序星晚期的宜居带内运行的类地行星的大气氢损失的最大可能量是很有趣的。为了研究热层结构和逃逸,我们应用了一个一维流体动力学高层大气模型,该模型求解了具有地球质量和大小的行星和具有2 R_Earth和10 M_Earth质量的“超级地球”的质量、动量和能量守恒方程。利用恒星软X射线和极紫外辐射以及高层大气的膨胀计算了行星的体积加热率、温度、密度和速度结构以及与之相关的热逃逸率。此外,我们调查在何种条件下,这两个行星进入吹脱逃逸制度,因此可能会遇到的损失率接近的能量有限的逃逸。最后,我们讨论了大气演化的背景下,一般的类地行星的可居住性和影响的结果。
2013-06-18 astro-ph.EP
Numerical performance of correlated-k distribution method in atmospheric escape simulation
本文研究相关k分布方法在含H₂O或CO的H₂主导大气逃逸模拟中的数值性能,证明弱谱线在光学厚区域可成为主要冷却来源,并验证该方法能以可接受成本有效计算逃逸率和温度剖面。
2024-02-26 astro-ph.EP
Understanding Exoplanet Atmospheres with UV Observations II: The Far UV and Atmospheric Escape
未来十年,系外行星大气分析的重点将是红外波长,计划发射詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)和宽视场红外巡天望远镜(WFIRST)。然而,如果不将其置于更广泛的波长覆盖范围内,特别是在光学和紫外线方面,红外线观测产生的系外行星大气层图像并不完整。在蓝色光学和近紫外(NUV)观测中编码的散射信息可以帮助确定在红外线中观察到的静音光谱特征是由于朦胧/多云的大气,还是具有较高平均分子量的清晰大气。进一步进入紫外线,观测可以识别大气逃逸和系外行星大气的质量损失,从而更好地了解系外行星的大气演变,以及来自云层上方的成分信息。在本白皮书中,我们重点介绍了远紫外(FUV)系外行星观测的科学案例;由Jessie Christiansen领导的附带白皮书将重点介绍近紫外(NUV)和蓝色/光学的科学案例。
2019-03-26 astro-ph.EP
The effects of stellar activity cycles on planetary atmospheric escape and the HeI 1083nm transit signature
本研究模拟恒星活动周期对系外行星大气逃逸及HeI 1083nm凌星特征的影响,发现极大期氦特征更强,并解释远轨道吸收不减弱的现象,提出活动周期可解释观测矛盾。
2025-10-27 astro-ph.EP
Ambipolar Electric Field, Photoelectrons, and their Role in Atmospheric Escape From Hot-jupiters
热木星的大气质量损失可能很大,因为这些行星与它们的主星非常接近,而且行星大气接收到强烈的辐射。在地球上,对大气离子加速的主要贡献来自离子和电子的垂直分离,以及双极电场的产生。这一过程被称为“极地风”,是将电离层成分输送到地球磁层的原因,在那里可以很好地观测到这些成分。极风也可以通过光电离产生的相对小部分的超热电子(光电子)来增强。我们制定了一个简化的计算的双极电场和光电子上的离子标度高度的影响,在一个广义的方式。我们发现,由于极风效应,离子尺度高度可以增加2-15倍。我们还估计了一个下限的数量级增加的离子密度和大气质量损失率时,极风的影响。
2012-06-01 astro-ph.EP
Understanding what helium absorption tells us about atmospheric escape from exoplanets
本研究构建结合 Parker 风与能量受限外流的氦吸收理论模型,自洽关联质量损失率和温度,提出以标度化等值宽度量化大气逃逸。
2025-01-10 astro-ph.EP
Tracing the Winds: A Uniform Interpretation of Helium Escape in Exoplanets from Archival Spectroscopic Observations
本研究利用p-winds模型统一分析档案氦三重态光谱数据,揭示系外行星大气逃逸受XUV通量与密度比控制,并约束光蒸发效率,为行星演化提供新见解。
2025-01-21 astro-ph.EP
Expanding the inventory of spectral lines used to trace atmospheric escape in exoplanets
本研究针对系外行星大气逃逸观测中谱线示踪剂有限、难以得出明确结论的问题,提出流体动力学逃逸大气透射光谱建模新框架,预测不同类型系统的多波段光谱并识别新示踪谱线,助力更好地约束大气外流特性。
2023-06-12 astro-ph.EP
Atmospheric Escape From Three Terrestrial Planets in the L 98-59 System
本文利用 VPLanet 模型模拟 L 98-59 系统内三颗类地行星的大气逃逸,发现无论初始水含量如何它们都会因水光解和氢损失积累大量氧,并预测 JWST 未来可观测到行星 b 和 c 上保留的氧。
2023-11-29 astro-ph.EP
On the dual nature of atmospheric escape
School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学物理与天文学院);Department of Earth and Planetary Sciences, Yale University(耶鲁大学地球与行星科学系)
研究揭示氢丰富大气并非单纯分为流体和逃逸流,而是存在双通道机制,流体加速通过音速点,而无碰撞流减速并带走质量动量,形成类似Parker风解决方案。
2026-03-11 astro-ph.EP
Atmospheric Escape Rates of Planets in Stellar Tidal Fields from 3-D Hydrodynamic Simulations
Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院);MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research(麻省理工学院卡弗里天体物理与空间研究所);Harvard & Smithsonian(哈佛-史密森尼学会)
研究恒星潮汐场中行星大气逃逸率,通过三维流体动力学模拟与一维模型对比,发现常用一维模型局限性,进而开发基于物理的混合模型,能准确预测质量损失率,优于含潮汐修正的一维模型。
2026-07-29 astro-ph.EP
Coupling thermal evolution of planets and hydrodynamic atmospheric escape in MESA
亚海王星类行星以氢为主的大气层的长期演化主要受两个因素控制:形成时获得的引力能的缓慢耗散(称为热演化)和大气质量损失。在这里,我们使用MESA自洽耦合低层大气的热演化模型与一个现实的流体动力学大气蒸发处方。为了概述这种耦合的主要特征,我们模拟了一系列的核心质量(5 - 20 Mearth)和初始大气质量分数(0.5 - 30%)的行星,在0.1天文单位的轨道上绕着一颗类似太阳的恒星运行。除了我们计算的进化轨迹,我们还研究了行星大气的稳定性,表明轻行星的大气可以在1 Gyr内完全去除,紧凑的大气有更好的存活率。从我们的结果和上一代模型的输出之间的详细比较,我们表明,热演化和大气蒸发之间的耦合显着影响低质量行星的大气的热状态,因此,改变大气质量分数和行星参数之间的关系。因此,我们的结论是,自洽考虑的热演化和大气蒸发是至关重要的演化建模和更好地表征行星大气。从模拟结果中,我们得到了不同年龄的行星半径与大气质量分数之间的解析表达式。特别是,我们发现,对于给定的观测行星半径,预测的大气质量分数随年龄的变化^[0.11]。
2020-09-10 astro-ph.EP
Atmosphere expansion and mass loss of close-orbit giant exoplanets heated by stellar XUV: I. Modeling of hydrodynamic escape of upper atmospheric material
在本系列论文中,我们提出了一个一致的描述质量损失过程。为了更全面地研究近轨道巨系外行星(热木星)的内禀磁场对大气物质逃逸和行星内磁层形成的影响,本文从一个高层大气膨胀的流体动力学模型出发.在考虑一个简单的氢大气模型时,我们着重考虑了大气气体的辐射加热和电离效应及其在太空中的膨胀。主要注意的是调查的具体条件的作用,在内部和外部边界的模拟域,根据不同的制度的材料逃逸(自由和限制流)的形成。对不同的过程,如XUV加热、材料电离和复合、H3+冷却、绝热冷却和Lyman-alpha冷却、Lyman-alpha再吸收进行了比较研究。我们确认我们的模拟结果与其他膨胀行星大气的流体动力学模型的结果基本一致。特别地,我们得到在典型的太阳型恒星轨道距离0.05 AU的条件下,热木星等离子体包层的最高温度可达~ 9000 K,流体动力逃逸速度约为9 km/s,质量损失率约为~(4-7)*10^10 g*s。在所考虑的恒星行星参数和XUV通量的范围内,在能量有限的情况下接近质量损失。列入行星固有的磁场的模型是一个主题的后续文件(文件二)。
2015-06-11 astro-ph.EP
Atmospheric Escape Rates from Mars - If it Orbited an Old M-Dwarf Star
Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado Boulder(科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室);Department of Astrophysical and Planetary Sciences, University of Colorado Boulder(科罗拉多大学博尔德分校天体物理学与行星科学系);Lowell Center for Space Science and Technology, University of Massachusetts Lowell(马萨诸塞大学洛厄尔分校洛厄尔空间科学与技术中心);Department of Physics and Astronomy, University of Kansas(堪萨斯大学物理与天文系);NASA Goddard Space Flight Center(美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心);LATMOS/CNRS, Sorbonne University(索邦大学LATMOS/法国国家科学研究中心);Department of Earth, Planetary, and Space Sciences, University of California, Los Angeles(加州大学洛杉矶分校地球、行星与空间科学系);Department of Physics, College of Science, Rikkyo University(立教大学理学院物理系);Faculty of Environment and Information Studies, Keio University(庆应义塾大学环境信息学部)
研究估算类火星行星围绕老红矮星巴纳德星运行时,大气逃逸率主要由热过程主导,比现今火星高2-5个数量级,表明其无法长期保留大气。
2026-03-12 astro-ph.EP
Precipitation of Energetic Neutral Atoms and Induced Non-Thermal Escape Fluxes from the Martian Atmosphere
本文研究了火星大气中高能中性原子的沉淀,这些中性原子是通过太阳风离子与热大气气体之间的电荷交换碰撞产生的。在蒙特卡罗模拟中,利用精确的横截面建立了快速离子沉淀参数与逃逸通量、快速原子高度依赖的能量分布及其在火星大气中的反射系数之间的联系。得到了由沉淀粒子引起的二次热原子和分子的分布,并应用于非热逃逸通量的计算。本文报道了一个新的精确的能量-角相关截面的碰撞数据库,该数据库是描述沉淀粒子碰撞和产生非热大气原子和分子的能量-动量转移所必需的,并给出了解析拟合方程。三维蒙特卡罗模拟与精确的能量角依赖的截面已经进行跟踪大的能量原子系综在时间依赖的方式,因为它们传播到火星大气中,并将其能量转移到周围的原子和分子。的能量沉积高度分布,反射系数,和随时间变化的大气加热,获得各向同性的硬球和各向异性的量子截面的蒙特卡罗模拟的结果进行了比较。测量了大气加热率、热化深度、产生率的高度分布、次级热原子和分子的能量分布以及诱导逃逸通量。
2014-06-10 astro-ph.EP
Rocky Worlds Limited to ~1.8 Earth Radii by Atmospheric Escape During a Star's Extreme UV Saturation
最近对低质量(<10 $M_{\oplus}$)系外行星的观测和分析发现,岩石行星的半径只有1.5-2 $R_{\oplus}$。对于岩石行星和气体包裹行星(或可能的水世界)之间二分法的原因存在两种一般假设:要么低质量行星不一定形成几重量的厚大气层。%,或者这些行星上的厚厚的大气层很容易在年轻母星的X射线和极紫外线(XUV)辐射的驱动下逃逸。在这里,我们表明,岩石和气体包围的行星之间的截止,由于流体动力逃逸是最有可能发生在平均半径为1.76 $\pm$ 0.38(2 $σ$)$R_{\oplus}$周围的类太阳恒星。我们研究了岩石行星半径的限制,通过流体动力学逃逸在很大范围内可能的模型输入,使用10,000个参数组合随机抽取合理的参数范围。我们发现岩石和气体包围的行星,同意与观察到的截止之间的截止。低质量行星的原始大气层极度膨胀,可用于XUV吸收的大截面导致在恒星XUV饱和的~ 1亿年阶段大气层完全丧失。相比之下,更大质量的行星有更少的膨胀大气和更少的逃逸,因此通过XUV饱和保持厚厚的大气,然后随着XUV和逃逸通量随时间的推移而无限期下降。我们的模型和系外行星数据之间的一致性使我们得出结论,流体动力学逃逸合理地解释了在1.5-2 $R_{\oplus}$范围内观察到的岩石行星大小和少数行星(“山谷”或“半径差距”)的上限。
2017-08-17 astro-ph.EP
Atmospheric Escape of Close-in Giants around Hot Stars: Far-Ultraviolet Radiation and Photoelectric Heating Effect
大气逃逸是控制近地行星长期演化的重要过程。我们进行太阳系外行星大气光蒸发的辐射流体力学模拟,研究远紫外(FUV)辐射的光电加热效应。具体来说,我们考虑一个靠近热木星周围的热A星。热的主序星不仅发射极紫外辐射,而且还发射远紫外辐射,因此可以通过光电加热驱动强烈的大气逃逸。我们证明,如果大气中含有少量的尘埃颗粒,其含量为本地星际介质的10%,则行星大气的逃逸速率可达$\dot{M}\sim10^{14}\, \mathrm{g}~{\rm sec}^{-1}$。在长期的演化过程中,热恒星周围的近距离行星可能会失去很大一部分大气。我们量化了引起光蒸发所需的灰尘量。$10^{-4}$的尘埃-气体质量比足以通过FUV光电加热驱动比仅使用极紫外辐射的情况更强的大气逃逸。我们还探讨了FUV驱动的逃逸的金属性依赖。由于光电加热的增强,质量损失率随着大气金属丰度的增加而增加,但恒星FUV通量随着恒星金属丰度的增加而减小。我们得出一个准确的估计作为FUV通量和金属丰度的函数的质量损失率,以及行星的特征。FUV驱动的大气逃逸可能是理解和解释所谓的亚木星沙漠的关键过程。
2021-03-05 astro-ph.EP astro-ph.SR
Lifetime of a transient atmosphere produced by Lunar Volcanism
在月球历史的早期,火山释气可能产生了周期性的毫巴级大气(Needham和Kring,2017)。我们研究了相关的大气逃逸过程和这种大气的寿命。热逃逸率作为一个函数的大气质量的温度范围内,包括轻成分,如H2的存在下的效果进行了计算。光化学逃逸和大气溅射计算使用的估计较高的EUV和等离子体通量与早期太阳一致。Vondrak(1974)进行的经常使用的地面Jeans计算不适用于所考虑的大气的规模和组成。我们发现,如果平均外底温度低于350 - 400 K,太阳驱动的非热逃逸可以去除早期CO毫巴级大气约100万年。然而,如果太阳紫外线/极紫外线吸收将高层大气加热到> 400 K的温度,热逃逸越来越主导损失率,考虑到能量有限逃逸,我们估计最小寿命为100年。
2020-11-30 astro-ph.EP
Atmospheric evolution through outgassing and escape on young molten rocky exoplanets
Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen(格罗宁根大学卡普坦天文研究所);Institute of Astronomy, University of Cambridge(剑桥大学天文学研究所);Atmospheric Oceanic and Planetary Physics, University of Oxford(牛津大学大气海洋与行星物理系);Netherlands eScience Center(荷兰电子科学中心);Interuniversity Micro Electronics Centre(大学微电子中心);Space Research Organisation Netherlands(荷兰太空研究组织)
研究年轻熔融岩石系外行星大气演化,扩展耦合模型并纳入能量限制逃逸模块,探讨多因素对其影响,估计大气损失与成分,揭示大气逃逸、能量传输等对演化的作用及不同条件下的多样演化路径。
2026-07-17 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
The effect of a small amount of hydrogen in the atmosphere of ultrahot magma-ocean planets: atmospheric composition and escape
研究少量氢对超热岩浆海洋行星大气成分与逃逸的影响,发现氢显著改变大气化学组成并促进重物种蒸发逃逸。
2023-06-09 astro-ph.EP
Higher Martian atmospheric temperatures at all altitudes increase the D/H fractionation factor and water loss
曾经在火星表面流动的大部分水很久以前就流失到太空中了,流失的总量仍然未知。通过研究氢(H)及其同位素氘(D)可以找到损失量的线索,氢(H)及其同位素氘(D)是大气水分子H $_2$ O和HDO解离时产生的。H和D的逃逸效率的差异(其导致D/H比增强)被称为分馏因子$f$。D/H比和$f$都是估算水分损失所必需的;因此,如果我们能够限制$f$的范围并了解是什么控制它,我们将能够更准确地估算水分损失。在这项研究中,我们使用的中性火星大气的一维光化学模型,以确定如何$f$依赖于假设的温度和水蒸气配置文件。我们发现,外基温度最强烈地控制热逃逸过程的$f$的值。当我们包括其他研究中的非热逃逸估计时,我们发现对流层顶温度也很重要。总的来说,对于标准火星大气,$f=0.002$用于热逃逸,$f=0.06$用于热+非热逃逸。我们估计火星已经失去了至少66-122米的水。重要的是,我们的研究结果表明,$f$的值严重依赖于D的非热逃逸,以及包括D/H分馏的建模研究必须模拟整个大气中的中性和离子过程。
2020-10-28 astro-ph.EP
Evolution of an Early Titan Atmosphere: Comment
土卫六早期大气逃逸,在此期间NH3可以通过光解转化为现在的N2主导的大气,是行星科学中的一个重要问题。最近,Gilliam和Lerman(2014)估计了由地面温度和压力驱动的逃逸,我们发现损失率太大了。他们的模型与Jeans从等温大气中逃逸有关,用于表明仅由表面加热驱动的逃逸将耗尽大气中的N存量,建议泰坦吸积温度为~355 K。因此,他们得出结论,为了保持目前的土卫六大气层,吸积温度必须更低。在这里,我们表明,近地表大气温度基本上是无关的确定从土卫六的大气损失率和逃逸主要是由太阳能加热高层大气。我们还粗略估计了早期太阳系的逃逸率(约10^4 kg/s),这与Atreya等人(1978)提出的NH3转化为N2的时期内可用的氮存量一致。
2015-07-30 astro-ph.EP
Metal-Enriched Atmospheres in Warm (Super- and Sub-)Neptunes Induced by Extreme Atmospheric Escape
本研究通过恒星演化代码结合流体动力学逃逸模拟温暖超海王星,揭示数十亿年极端大气逃逸导致金属丰度显著富集并改变C/O和S/N比值,强调长期大气演化对解释系外行星组成的重要性。
2025-05-09 astro-ph.EP
Efficient and inefficient hydrodynamic escape of exo-satellite atmospheres driven by irradiation from their young giant planets
本研究探讨年轻巨行星辐照下系外卫星的大气逃逸机制,发现特定分子可引发温度反转提升逃逸率,热解耦导致大气组分层级逃逸,且不同质量巨行星能侵蚀类土卫六大气,可用于约束巨行星形成后冷却行为。
2025-03-23 astro-ph.EP
Planetary Magnetic Field Control of Ion Escape from Weakly Magnetized Planets
内禀磁场一直被认为可以保护行星免受恒星风的大气侵蚀;然而,等离子体环境对大气逃逸的影响是复杂的。在这里,我们研究了一个弱的内在偶极行星磁场的等离子体环境和随后的离子逃逸从火星大小的行星在全球三维混合模拟的影响。我们发现,增加行星的磁场的强度增强离子逃逸,直到磁偶极子的对峙距离达到感生磁层边界。在这一点之后,增加行星磁场开始抑制离子逃逸。这反映了南半球对“未对准”离子拾取力的屏蔽和赤道等离子体散射对逃逸离子的捕获之间的平衡。因此,与峰值离子逃逸率相关的行星磁场严重依赖于恒星风压。在可能的情况下,我们有适合的基本参数(逃逸率,逃逸功率,极帽张开角和有效的相互作用面积)与磁场的变化规律,并评估的上限和下限的关系。
2019-07-05 astro-ph.EP
Atmospheric Escape Processes and Planetary Atmospheric Evolution
任何行星表面的可居住性都是由其内部、表面和大气层的复杂演化决定的。恒星的电磁和粒子辐射驱动行星大气的热、化学和物理变化,包括逃逸。许多已知的太阳系外行星经历了与我们太阳系截然不同的恒星环境:如果我们要评估其他恒星周围世界的可居住性,那么了解在各种条件下导致大气逃逸和演化的各种过程至关重要。行星和天体物理学界之间遇到的一个问题是缺乏描述逃逸过程的共同语言。每一个社群都有可能被另一个社群质疑的习惯近似,例如天体物理学家的H主导热层假说,或行星科学家的恒星类似太阳的性质。由于系外行星正在成为探测生命的主要目标之一,因此需要一套共同的定义和假设。我们回顾了行星和系外行星大气演化的不同逃逸机制。我们提出了一个共同的定义,不同的逃生机制,我们显示的重要参数时,考虑到在一个星球上的逃生时间进行评估。我们表明,范例的磁场作为一个大气屏蔽应该改变,最近的工作在地球大气中的氙的历史给出了一个优雅的解释,其富集在较重的同位素:所谓的氙悖论。
2020-03-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Escape of Water- and Metal-enriched Atmospheres from compact Hot mini-Neptunes with CHAIN
University of Bern(伯尔尼大学);Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences(奥地利科学院空间研究所);European Space Agency (ESA), European Space Research and Technology Centre (ESTEC)(欧洲空间局(ESA)欧洲空间研究与技术中心(ESTEC));Department of Astronomy & Astrophysics, University of Chicago(芝加哥大学天文与天体物理系)
本研究利用CHAIN模型模拟GJ 9827 d和TOI-238 b两颗亚海王星行星的富水和富金属大气,发现高水/金属丰度导致大气冷却和加热增加,显著降低大气质量损失率,且富水大气更稳定,氢优先逃逸使金属/H比随时间增加。
2026-06-01 astro-ph.EP
On the Provenance of Pluto's Nitrogen (N2)
冥王星的大气层和表面都有丰富的氮气,但由于大量的大气逃逸,氮气的供应被耗尽了。我们表明,彗星的影响不可能提供足够的N质量,以补给冥王星的N2大气逃逸随着时间的推移,因此冥王星的N2可能是内源性的,因此,无论是收购在其历史的早期或创建的化学内部/冥王星。我们发现,陨石坑可以挖掘出相当数量的N2,以补充大气对逃逸,如果近地表N2水库是深。然而,我们发现,这个过程可能低于必要的补充大气层,防止逃逸至少一个数量级。我们的结论是,无论是从冥王星的大气层逃逸的N2平均远低于当前时代的预测,或内部活动可能是必要的,使N2的表面和补充逃逸损失。2015年中期,新视野号航天器进行的观测将进一步限制冥王星表面和大气中N2的来源和演化,并可能揭示过去或现在内部活动的证据。
2015-07-19 astro-ph.EP
3D model of hydrogen atmospheric escape from HD209458b and HD189733b: radiative blow-out and stellar wind interactions
在HD209458 b和HD 189733 b的Ly-alpha中进行的凌日观测揭示了中性氢逃离行星的特征。我们提出了一个三维粒子模型的逃逸原子的动力学,并计算理论的Ly-alpha吸收线的轮廓,这可以直接与蓝翼线中观察到的吸收进行比较。对于HD 209458 b,观测到的逃逸原子速度高达-130km/s,这自然可以用辐射压加速来解释。观测结果很好地拟合了电离通量约为太阳的3-4倍,氢逃逸率在10^9- 10^11 g/s范围内,与理论预测一致。对于HD 189733 b,在2011年观测到中性氢的吸收,速度范围为-230至-140 km/s。这些速度高于HD 209458 b,需要额外的加速机制来加速逃逸的氢原子,这可能是与恒星风质子的相互作用。我们约束了恒星风(温度~ 3 × 10^4K,速度200+-20km/s,密度在10^3-10^7/cm ~ 3范围内)以及逃逸率(4 × 10^8 -10^11g/s)和电离通量(6-23倍太阳)。我们还揭示了存在的“逃逸限制”饱和制度,其中大部分逃逸气体与恒星质子相互作用。在这种质子密度高于~3x10^5/cm 3的情况下,吸收特征的幅度受到逃逸率的限制,而不依赖于风密度。在2010年的早期观测中没有探测到逃逸的氢,可以解释为当时恒星风的抑制,或者逃逸率比2011年低一个数量级。对于这两颗行星,最佳拟合模拟显示,逃逸的大气具有彗星尾巴…
2013-08-01 astro-ph.EP
Influence of the Sun-like magnetic cycle on exoplanetary atmospheric escape
恒星的高能辐射(X射线和极紫外线,XUV)驱动了近距离系外行星的大气逃逸。考虑到恒星的辐射依赖于恒星的磁性和恒星的磁周期,我们研究了周期如何影响系外行星大气逃逸的演化。首先,我们假设一颗类HD209458b行星围绕太阳运行。为此,我们在HD209458b的一维流体动力学逃逸模型中实现了一个半太阳周期内观测到的太阳XUV辐射。我们发现大气逃逸率呈周期性变化(从7.6到18.5 $\times$ 10 $^{10}$ g s $^{-1}$),几乎与入射恒星辐射成正比。为了与观测结果进行比较,我们计算了两条氢线的光谱跃迁。我们发现不可检测的循环变化在赖氨酸$α$过境。考虑到H $α$谱线的温度敏感性,其等效宽度在整个周期内的变化幅度为1.9 mA,这可以在像HD 209458 b这样的系外行星中检测到。我们证明了在太阳活动周期中,XUV通量与磁通量成线性关系。其次,我们应用这个关系推导出的XUV通量的HD 189733使用现有的磁通量观测塞曼多普勒成像近十年的周期演化。然后使用XUV通量来模拟HD 189733 b中的逃逸,其显示逃逸率从2.8变化到6.5 $\times$ 10 $^{10}$ g s $^{-1}$。与HD 209458 b的情况类似,这引入了Ly $α$和H $α$转变的变化,其中H $α$变化更可能被观察到。最后,我们表明,一个强大的恒星耀斑将显着增加Ly $α…
2020-06-18 astro-ph.EP astro-ph.SR
Overcoming the limitations of the energy-limited approximation for planet atmospheric escape
行星大气组成、变率和演化的研究需要适当的理论和数值工具来估计关键的大气参数,其中质量损失率往往是最重要的。在进化研究中,通常使用能量限制公式,该公式因其简单而具有吸引力,但忽略了重要的物理效应,并且在许多情况下可能不准确。为了克服这个问题,我们考虑了最近开发的网格约7000一维高层大气流体动力学模型计算了广泛的行星与氢为主的大气,我们从中提取的质量损失率。网格边界是行星质量的[1:39] MEARTH,行星半径的[1:10] REARTH,平衡温度的[300:2000] K,主星质量的[0.4:1.3] MSUN,轨道间隔的[0.002:1.3] au,恒星X射线和极紫外光光度的[10^{26}:5*10^{30}] erg/s。然后,我们推导出一个解析表达式的基础上拟合从网格中获得的值的大气质量损失率。该表达式提供了质量损失率作为行星质量、行星半径、轨道间距和入射恒星高能通量的函数。我们表明,这个表达式是一个显着的改进,能量有限的近似范围广泛的行星。这里提出的解析表达式可以在不增加计算时间的情况下显着更准确的行星演化计算。
2018-10-16 astro-ph.EP
The mass-radius relation of intermediate-mass planets outlined by hydrodynamic escape and thermal evolution
我们采用行星演化模型来再现迄今为止检测到的198颗行星的MR分布,这些行星的质量和半径分别测量到<45%和<15%的水平,并且质量小于108 Me。我们同时占大气逃逸,基于流体动力学模型的结果,和热演化,基于行星结构演化模型。由于高能恒星辐射影响大气演化,我们占整个范围内可能的恒星旋转历史。为了在形成时设置行星参数,我们使用基于形成模型的解析近似。最后,我们建立了一个网格的合成行星的参数反映了那些观察到的分布。除了两组不同的离群值(约占总体的20%)外,预测的半径分布很好地再现了观察到的MR分布。第一个由近距离的土星质量行星组成,其半径与木星相似,我们低估了半径,可能是因为它缺乏类似于热木星中膨胀的额外热量。第二组由温暖的亚海王星组成,它们应该拥有大量的原始H主导的大气,但却呈现出高密度的小气体包层。这表明,它们的形成,内部结构和演化是不同的大气演化,通过逃逸的H-为主的信封吸积到岩石的核心。低质量行星(<10- 15 Me)的观测特征很大程度上取决于大气逃逸的影响,因此取决于宿主恒星的演化,而原始参数则不太相关。相反,对于更大质量的行星,形成时的参数在塑造最终的MR分布中起着主导作用。
2022-11-18 astro-ph.EP
Stellar Wind Effect on the Atmospheric Escape of Hot Jupiters and their Ly-$α$ and H$α$ transits
近距离系外行星的大气逃逸可以由来自主恒星的高能辐射驱动。行星外流与恒星风的相互作用可能会产生可观测到的凌日信号,这取决于恒星风的强度。我们进行详细的辐射流体动力学模拟的大气逃逸的热彗星,包括风从主恒星的自洽,动态耦合的方式。我们表明,行星外流是由它的热压力和恒星风的冲压压力之间的平衡。我们使用模拟输出来计算莱曼- $α$和H $α$过境签名。强风可限制外流并减小莱曼- $α$过境深度。相比之下,风对H $α$的影响很弱,因为来自行星最上层大气的贡献很小。观察这两条线对于了解来自宿主的紫外线辐射和风的影响很重要。大气质量损失率几乎与风的强度无关。我们还讨论了日冕物质抛射对信号的影响。我们认为,围绕M矮星的影响可以是显着的,在每一个过境。
2022-03-03 astro-ph.EP astro-ph.SR
Planetary evolution with atmospheric photoevaporation II: Fitting the slope of the radius valley by combining boil-off and XUV-driven escape
本研究对比XUV驱动能量限制逃逸模型与含沸腾蒸发的流体动力学模型,结合行星内部结构模型追踪演化,发现后者得到的半径谷斜率与开普勒观测高度吻合,证实考虑沸腾蒸发和真实冷却机制的逃逸模型可解释半径谷这一关键观测约束。
2023-07-05 astro-ph.EP
The XUV irradiation and likely atmospheric escape of the super-Earth $π$ Men c
$π$ Men c最近被宣布为TESS任务中确认的第一颗系外行星。这颗行星的半径仅为2 R $_{\rm\oplus}$,它穿过附近一颗肉眼可见亮度的类太阳恒星,使其成为超级地球大气特征的理想目标。在这里,我们分析档案$\textit{ROSAT}$和$\textit{Swift}$观测的$π$人,以确定X射线和极紫外线照射的行星大气和评估是否大气逃逸可能是正在进行的。我们发现$π$ Men与太阳具有相似的X射线发射水平,具有$L_{\rm X}/L_{\rm bol} = (4.84^{+0.92}_{-0.84})\times10^{-7}$。然而,由于其轨道间隔很小,超级地球的高能辐射比地球所遭受的强约2000倍。我们表明,这足以驱动大气逃逸的速率大于从温暖的海王星GJ 436b容易检测到的速率。此外,我们估计$π$ Men在Ly $α$比GJ 436亮四倍。考虑到超级地球的大气层高度很小,加上它们潜在的多云大气,以及随之而来的测量透射光谱的困难,我们得出结论,逃离$π$ Men c的物质的紫外吸收是目前确定超级地球大气成分的最佳机会。
2019-01-07 astro-ph.EP astro-ph.SR
Evolution of atmospheric escape in close-in giant planets and their associated Ly$α$ and H$α$ transit predictions
在几个近距离的系外行星上已经发现了强烈的大气逃逸。由于这些行星主要由氢组成,因此对Ly-alpha和H-alpha等氢线的观测是对逃逸的有力诊断。在这里,我们模拟了近距离巨行星大气逃逸的演化,并计算了它们相关的Ly-alpha和H-alpha凌日。我们使用一维流体力学逃逸模型来计算大气的物理性质,并使用光线追踪技术来模拟光谱凌日。我们认为巨大的(0.3和1M_jup)行星绕着一颗0.045au的类太阳恒星运行,从1000万年到5000万年。我们发现,年轻的巨人表现出较高的逃逸率,由于较高的辐射通量和较弱的引力的有利组合。质量较小的行星在演化过程中表现出更高的逃逸速率(1 e10 - 1 e13 g/s),而质量较大的行星则表现出更高的逃逸速率(1 e9 - 1 e12 g/s)。我们估计1-M_jup的行星由于逃逸最多会损失其初始质量的1%,而0.3-M_jup的行星可能会损失高达20%。这支持了海王星沙漠是由于低重力行星的重大质量损失而形成的观点。在年轻的时候,我们发现,中期过境Ly-alpha线是饱和的线中心,而H-alpha表现出过境深度最多3 - 4%,超过他们的几何过境。虽然在较老的年龄,Ly-alpha吸收仍然很明显(并且可能在较低质量的行星上饱和),但H-alpha吸收几乎消失。这是因为中性氢的扩展大气在~1.2 Gyr后主要处于基态。
2019-10-16 astro-ph.EP astro-ph.SR
The Extreme-ultraviolet Stellar Characterization for Atmospheric Physics and Evolution (ESCAPE) Mission: Motivation and Overview
大气物理学和演化极紫外恒星表征(ESCAPE)飞行任务是一个天体物理学小型探测器,采用紫外光谱学(极紫外:80 - 825流明,远紫外:1280 - 1650流明)探索邻近恒星周围宜居带的高能辐射环境。ESCAPE提供了对恒星EUV和日冕物质抛射环境的首次全面研究,这些环境直接影响岩石系外行星的可居住性。在为期20个月的科学任务中,ESCAPE将提供基本的恒星特征,以确定最有利于可居住性的系外行星系统,并为NASA未来的生命发现任务提供路线图。ESCAPE实现了这一目标,与以前的任务相比,EUV效率提高了大约两个数量级。ESCAPE采用掠入射望远镜,为EUV和FUV摄谱仪提供信息。ESCAPE科学仪器建立在以前的紫外线和X射线仪器,掠入射光学系统,以及用于NASA天体物理学,太阳物理学和行星科学任务的光子计数紫外线探测器的基础上。ESCAPE航天器总线是多功能和高遗产球航空航天BCP小型航天器。数据档案将存放在米库尔斯基空间望远镜档案馆(MAST)。
2022-01-31 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Atmospheric escape from HD 189733b observed in HI Lyman-alpha: detailed analysis of HST/STIS September 2011 observations
对热巨星系外行星HD 189733 b在未解决的HI莱曼α线上的凌日观测显示,有迹象表明氢从行星的高层大气中逃逸。2010年4月和2011年9月,哈勃太空望远镜上的STIS摄谱仪获得了新的解析莱曼α观测结果,证实了这颗行星正在蒸发,并进一步发现其蒸发大气层的物理条件存在重大的时间变化。在这里,我们对2011年9月HD 189733 b的观测进行了详细的分析,当时检测到了大气特征。我们提出了具体的方法来寻找和表征这种吸收签名逃逸氢在莱曼α线,并计算其假阳性概率,发现为3.6%。利用STIS光谱仪的光谱分辨率和高灵敏度,我们还提出了新的结果,时间和光谱时间的变化,这种吸收功能。我们还报道了HD 189733 b在其它谱线上的观测结果(Si Ⅲ在1206.5A,NV在1240 A)。这些谱线的变化可以用富含高度电离物质的弓形激波引起的早期掩星来解释,也可以用恒星的变化来解释。
2013-01-25 astro-ph.EP
Atmospheric escape by magnetically driven wind from gaseous planets
利用一维流管中的MHD模拟方法,计算了热超导体中MHD波驱动的质量损失。如果气态行星有磁场,MHD波在表面被湍流激发,在高层大气消散,并驱动气体外流。计算结果表明,MHD波驱动的气体流动在气态行星的质量损失中起着重要的作用。质量损失率随行星半径和质量的变化而变化很大:一颗质量小但半径膨胀的气态行星会产生非常大的质量损失率。我们还推导了质量损失率对行星半径和质量的依赖关系的解析表达式,与数值计算结果吻合得很好。质量损失率还取决于行星表面速度色散的幅度。因此,我们期望从未来对各种系外行星质量损失率的观测中推断出气态行星的表面状况和内部结构。
2014-06-20 astro-ph.EP
Space dust collisions as a planetary escape mechanism
据观察,持续轰击地球的超高速空间尘埃在大气层中产生巨大的动量流。一些快速的太空尘埃不可避免地会与大气系统相互作用,传递能量并移动粒子,从而产生各种可能的后果。本文研究了通过碰撞,空间尘埃的掠地成分可以促进大气颗粒的行星逃逸的可能性,无论它们是形成大气层的原子和分子还是更大尺寸的颗粒,并提供了支持性的估计。作为一个有趣的结果,漂浮在地球大气层中的是各种各样的粒子,它们包含着地球有机故事的蛛丝马迹,包括微生物生命和生命必需分子。本文将评估这种空间尘埃碰撞机制将其中一些生物成分推进空间的能力。
2017-11-06 astro-ph.EP
Conservation of Total Escape from Hydrodynamic Planetary Atmospheres
大气逃逸是控制行星演化的关键过程之一。然而,估计逃逸率的任何细节是困难的,因为有许多物理过程有助于总逃逸率。在这里,我们表明,作为能量守恒的结果,总逃逸率从流体动力学行星大气的外流保持亚音速下几乎是恒定的恒星XUV光子通量时,增加逃逸效率从外底水平,符合能量有限逃逸近似。因此,估算行星演化史中的大气逃逸量可以大大简化。
2013-08-02 astro-ph.EP
Modelling atmospheric escape and MgII near-ultraviolet absorption of the highly irradiated hot Jupiter WASP-12b
我们提出了热木星WASP-12 b高层大气的二维多流体数值模拟。该模型包括氢化学,并自洽地描述了行星上层大气的膨胀和由于强烈的恒星辐射造成的质量损失,假设是一颗弱磁化行星。我们模拟了行星高层大气及其与恒星风(SW)的相互作用,并考虑了不同的XUV照射条件和SW参数。在潮汐力的作用下,即使是快速的SW,逃逸的行星物质也会形成两股流,朝向恒星和远离恒星传播。大气逃逸和相关的质量损失率达到10^12 gs^-1,这似乎主要是由恒星引力控制的。我们计算了柱密度和动力学的MgII离子考虑三组不同的SW参数和XUV通量。模拟能够计算在Mg h线的位置处的吸收,并再现入口和出口的时间。在慢SW的情况下,如果不考虑潮汐力,高轨道速度会导致在行星轨道运动方向上形成激波。在这种情况下,质量损失与恒星XUV通量成正比。同时,忽略WASP-12 b的潮汐效应是一种强烈的简化,因此,有冲击的情况是不现实的。
2019-08-07 astro-ph.EP
Atmospheric Evolution on Low-gravity Waterworlds
低重力水世界($M\lesssim 0.1 M_{\oplus}$)因其潜在的可居住性而受到关注。这样的世界的弱束缚大气层具有更大的辐射表面,更容易逃逸。我们对这些现象进行了统一的调查,结合分析能量平衡和流体动力学逃逸与逐行辐射转移计算。由于辐射表面的膨胀迫使向外辐射随着地面温度的增加而增加,我们发现这些世界并没有经历失控的温室效应。此外,我们表明,一个长寿的液态水宜居带是可能的低重力水世界足够的质量。它的内部边缘由大气逃逸的速率决定,因为短暂的大气限制了生命进化的时间。在描述从“类行星”到“类彗星”的参数空间过渡的物理过程中,我们的模型在重力方面产生了可居住性的下限。这些结果为正在进行的寻找可居住的系外行星和系外卫星提供了有价值的见解。
2019-08-14 astro-ph.EP
Role of Planetary Radius on Atmospheric Escape of Rocky Exoplanets
本文通过三维磁流体动力学模拟发现,无磁岩质系外行星的大气离子逃逸率随行星半径呈非单调变化,并在约0.7倍地球半径处达到峰值,该结果可为未来系外行星大气观测提供指导。
2024-02-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph